«Обнаружение перехода от квантовой механики к классической станет величайшим открытием XXI века»

О чем в 30-х спорили Нильс Бор и Альберт Эйнштейн и как их дебаты находят отражение в современной физике, опровергнута ли теория скрытых переменных, как проходил эксперимент по проверке неравенств Белла и где находится граница перехода от квантовой механики к классической, в интервью Indicator.Ru рассказал французский физик Ален Аспе. Беседа состоялась на IV Международной конференции по квантовым технологиям.

Квантовую механику часто называют контринтуитивной и противоречащей здравому смыслу. Правильно воспринимать ее часто мешает большое количество интерпретаций, в которых неспециалист может запутаться, хотя с прикладной точки зрения они дают одинаковый ответ. Один из возможных способов если не «понять», то «прочувствовать» квантовую механику — это овладеть ее математическим аппаратом. Метко сказал физик Дэвид Мермин: «Заткнись и считай!»

Этот путь подходит не для всех, ведь необходимые для этого математические знания выходят далеко за рамки школьной программы, а для того, чтобы выучить все это самостоятельного, понадобится немало времени. Другой способ прикоснуться к удивительным законам квантового мира — это разобраться в проведенных экспериментах, в которых однозначно показывается, насколько мир элементарных частиц отличается от привычных для нас тел. Наверняка большинство людей знакомо с опытом Юнга (еще его называют двухщелевым экспериментом), в котором наглядно показана дуальная природа квантов света — фотонов, — способных вести себя и как частица, и как волна.

Помимо этой известной со школы ситуации, есть и другие способы убедиться в необычном поведении объектов микромира. Наверное, самый удивительный эксперимент в этой области — это проверка неравенств Белла. Эти выражения можно проверять для разных частиц и в разных экспериментах. Первую убедительную демонстрацию того, что они нарушаются, провел французский физик Ален Аспе. Опишем его вариант опыта в упрощенном виде. Пусть у нас есть источник пар запутанных фотонов, то есть таких, что их свойства оказываются связаны. Будем вслед за Аспе рассматривать запутанные по линейной поляризации частицы.

Запутанность в данном случае означает, что налагается ограничение на поляризацию фотонов, так что при измерении этого параметра у одной частицы можно вычислить его значение и для другой. Это справедливо для испущенных парой фотонов, но не обязательно выполняется у разных пар. Затем они отправляются в противоположные стороны к детекторам, которые по традиции называют Алиса и Боб, но по пути проходят через поляризаторы — приборы, пропускающие свет только определенной поляризации. Если на поляризатор, пропускающий вертикально поляризованный свет, падает горизонтально поляризованный фотон, то он с вероятностью 100% поглощается. Если угол между пропусканием фильтра и направлением поляризации частицы составляет 0°, то фотон с вероятностью, близкой к 100%, проходит насквозь. При промежуточном угле фотон с некоторой вероятностью поглотится, с некоторой — пройдет.

Теперь, если сделать поляризаторы не статичными, а динамичными, то есть такими, которые могут быстро изменять плоскости пропускания, то можно поставить следующий опыт. Будем случайным образом менять положения поляризаторов из некоторого дискретного набора состояний и записывать, зарегистрировал ли детектор позади поляризатора фотон или нет, на обоих концах. После набора статистики необходимо сверить результаты Алисы и Боба, оставив только ситуации, когда выпали разные поляризаторы. Если верна классическая теория реализма, то мы должны получить определенную вероятность того, что сработают оба детектора (в случае набора из трех поляризационных фильтров она равна одной трети). Утверждение неравенств Белла состоит в том, что если в эксперименте получается значение меньше, то имеет место существенно квантовый процесс, который нельзя описать в классических терминах. Именно это было продемонстрировано в опытах Алена Аспе.

— Профессор Аспе, ваши наиболее известные работы связаны с экспериментом по неравенствам Белла. Не могли бы вы вкратце рассказать о том, что это такое?

— Это направление проистекает из дискуссии между Эйнштейном и Бором в 1935 году. Эйнштейн открыл запутанность, то есть такое состояние двух частиц, когда, даже находясь далеко друг от друга, их наблюдаемые проявления сильно связаны между собой. Эйнштейн думал, что единственный способ понять такое сильное взаимодействие — допустить, что с самого начала эти две частицы обладают общими свойствами. Эта точка зрения получила название локального реализма.

Таких общих свойств нет в рамках квантовой механики, а возможность их существования и стала основой дебатов с Бором. В то время это было лишь вопросом трактовки, поскольку мнения насчет наблюдательных проявлений сходились. 30 лет спустя, в 1964 году, Джон Белл совершил серьезное открытие. Он обнаружил, что, используя интерпретацию Эйнштейна, невозможно получить настолько сильную корреляцию, насколько предсказывает квантовая механика. Тогда такую ситуацию никто еще не проверил экспериментально.

Первые эксперименты провели Клаузер и Фридман в США в начале 1970-х. Они обнаружили настолько сильную корреляцию, что она несовместима с идеями Эйнштейна. Это были первые эксперименты, и, несмотря на свою значимость, они довольно сильно отличались от обсуждаемой теоретиками схемы. Поэтому в начале 80-х годов я решил провести новую серию опытов, нацеленных на фундаментальную основу дискуссии между Бором и Эйнштейном.

Идея была в следующем: если проводить измерения в разнесенных в пространстве местах, то при выборе измеряемой величины в самый последний момент измерения разных частиц оказываются разделены в смысле теории относительности. Это означает, что между актами измерения никакой сигнал не мог успеть преодолеть расстояние между этими частицами. Если и в таком случае будет наблюдаться предсказанная квантовой механикой сильная корреляция, то это будет невозможно объяснить на основе представлений Эйнштейна. Я провел соответствующий эксперимент, обнаружил нарушение неравенств Белла и доказал, что подход Эйнштейна не может объяснить наблюдаемые феномены. Это краткий результат моей диссертации, которую я защитил в 1982 году.

— С какими основными сложностями пришлось столкнуться в ходе эксперимента? В чем принципиальные отличия вашей реализации от предыдущих опытов по проверке неравенств Белла?

— В предыдущих опытах по проверке неравенств Белла использовались источники фотонов, излучавшие лишь малую долю запутанных частиц. Было множество фотонов, не принадлежавших к запутанным парам. Это первая проблема. Вторая заключалась в большом размере такого источника. Существующее в экспериментальной оптике правило гласит, что чем более точная оптика вам нужна, тем более тонким должен быть луч и, следовательно, более маленькими — источники. Созданный мною источник позволил избежать обеих проблем: он был намного более эффективным, фотоны действительно излучались запутанными парами; кроме этого, он был чрезвычайно маленьким — всего несколько десятков микрон. Поэтому нужно было «просто» улавливать свет при помощи не очень больших линз, а затем направлять лучи на довольно большое расстояние от источника — шесть метров в каждую из двух сторон в моем случае.

Когда я проводил измерения на обеих сторонах, то двигающему со скоростью света сигналу на то, чтобы переместиться между точками измерения, потребовалось бы 40 наносекунд. Разрешение используемых приборов было намного лучше и составляло порядка одной наносекунды. Поэтому не было сомнений в том, что измеряемые мною события были разделены в релятивистском смысле. Таким образом с использованием намного более сложного оборудования я смог реализовать эксперимент по более простой принципиальной схеме, близкой к идеальной в теоретическом смысле.

— Вы использовали фотоны и они были запутаны по поляризации? А поляризационные фильтры, использованные вами, переключались быстрее, чем время перемещения двигающегося со скоростью света сигнала?

— Совершенно верно.

— Существует множество дискуссий относительно различных лазеек при проверке неравенств Белла. Отдельные специалисты утверждают, что смогли добиться экспериментов, полностью свободных от всех лазеек, другие полагают, что это не так. Каково ваше мнение?

— Мнения различны, и они зависят от исследуемой проблемы. Если вопрос заключается в проверке неравенств Белла для того, чтобы выяснить, чья позиция правильна — Бора или Эйнштейна, то я считаю, что проведение эксперимента с разделенными пространственно-подобным интервалом измерениями преодолевает основную лазейку. Так утверждал сам Джон Белл.

В 1980 году, до моих опытов, он обозначил существование двух лазеек. Одна относится к квантовой эффективности детектора — лазейка чувствительности (sensitivity loophole), а вторая — к релятивистскому разделению событий — лазейка локальности (locality loophole). Джон Белл очень четко говорит о том, что вторая является ключевой. Почему? Потому что ее закрытие требует выполнения условия, которое зависит от скорости света — фундаментальной константы. Быть быстрее или медленнее скорости света — это основополагающий момент.

С другой стороны, лазейку чувствительности можно закрыть, если квантовая эффективность детекторов выше 70%. Однако не существует закона физики, согласно которому явления для детекторов с эффективностью более или менее 70% должны происходить по-разному. В этом вопросе я полностью согласен с Беллом: для разграничения позиций Бора и Эйнштейна лазейка локальности критически важна, потому что она связана с наиболее фундаментальными концепциями.

Существует и другая точка зрения. С момента моего эксперимента в сфере квантовой информации, где запутанные частицы служат носителем таких данных, произошло больше развитие. В ее рамках можно создать абсолютно безопасную криптографию, однако для уверенной работы всех подобных устройств, а также для того, чтобы обеспечить такой уровень защищенности, необходимы детекторы с эффективность как можно ближе к 100%. Поэтому действительно было интересно убедиться в нарушении неравенств Белла даже в случае одновременного закрытия обеих лазеек, но нельзя сказать, что это было неожиданно. По моему мнению, реальным достижением этих экспериментов стала демонстрация того, что мы способны реализовать настоящие алгоритмы квантовой информации.

— Вы полагаете, что все ключевые лазейки закрыты, что означает, что квантовая механика подтверждена в экспериментах по проверке неравенств Белла?

— Да. Единственно возможный выход называется супердетерминизм. Он гласит, что когда я работаю с установкой, то у меня нет свободы выбора. Согласно этой точке зрения, некое событие в прошлом, возможно во время Большого взрыва, определило исход моего опыта через 15 миллиардов лет. По-моему, это бессмыслица. Я решил стать физиком потому, что считаю себя свободным в выборе настроек моей экспериментальной установки.

— То есть вы считаете, что теория скрытых переменных окончательно опровергнута?

— Совершенно верно.

— Однако некоторые выдающиеся физики, например Герард 'т Хоофт, говорят, что квантовая механика не является полной и что некая теория, включающая в себя скрытые переменные, должна лежать в основе квантовой механики. Что вы думаете по этому поводу?

— Мне импонирует то, что люди уровня 'т Хоофта прикладывают усилия в этом направлении, но я сомневаюсь, что у него получится создать теорию со скрытыми переменными и избежать супердетерминизма. Это не значит, что его работа не интересна — она может показывать нам, как можно взглянуть на квантовую механику с другой стороны.

— Хорошо, давайте остановимся на той точке зрения, что нелокальность установлена. Нарушает ли это причинность?

— Нет, и это очень важный момент. Можно легко показать, что нельзя использовать нелокальность для передачи информации быстрее скорости света. Подобная передача информации означала бы, что когда я нажимаю кнопку здесь, то некоторое последствие, например появление вспышки света, происходит в то же мгновение где-то в другом месте. Вы не можете сделать это, поскольку природа квантовой механики фундаментально случайна. Я имею в виду то, что, когда фотон падает на делитель луча с вероятностью отражения или пропускания 50 на 50 или на аналогичный поляризатор, то, что случится с фотоном, ничем заранее не определено. Вплоть до последнего момента вы не можете знать исхода, и невозможно повлиять на этот выбор. Если бы была возможность повлиять на него, то можно было бы передать информацию быстрее скорости света. Таким образом, существует тесная взаимосвязь между основополагающей случайностью квантовой механики и невозможностью передавать информацию быстрее скорости света.

Некоторые люди считают, что если мы не можем передавать информацию быстрее скорости света, то нарушение неравенств Белла не представляет реальной научной задачи. Я с этим категорически не согласен. Представьте себе следующий эксперимент: у Алисы и Боба есть поляризаторы, угол поворота которых они выбирают случайно. Они смотрят за показаниями счетчиков фотонов позади своих поляризаторов, принимающих пары запутанных частиц из одного источника, и каждый у себя записывает результаты, в том числе точное время. После окончания эксперимента они встречаются и сравнивают результаты, после чего приходят к выводу, что нечто менялось мгновенно. Это никак нельзя немедленно использовать, но если посмотреть в прошлое, подобно историку или археологу, то придется признать наличие нелокальных событий, мгновенных. Это говорит нам о том, что квантовая механика гораздо более изысканна, нежели наши обычные концепции. Даже настолько умному человеку, как Фейнман, потребовалось время для того, чтобы это принять. В его знаменитом курсе физики, прочитанном в 60-е годы, говорилось, что единственная большая загадка квантовой механики — это корпускулярно-волновой дуализм. В 1982 году он, однако, написал статью, в которой признал, что он не осознавал феномен запутанности как еще более удивительный или загадочный, как бы вы это ни охарактеризовали. Затем он понял ее потенциал и в той же статье описал основную идею квантового моделирования. Многие считают эту работу основополагающей в области квантовых вычислений. Квантовая механика действительно сильно отличается от наших обычных представлений, и именно ее отличие расширяет границы возможных применений.

— Некоторые ученые пытаются измерить скорость этого «жуткого дальнодействия» (по выражению Эйнштейна), но пока что устанавливают только ограничения снизу. Они оказываются на несколько порядков больше скорости света. Считаете ли вы эту скорость действительно бесконечной или нет?

— Я думаю, что ее можно назвать бесконечной вот в каком смысле. Пока события измерений разделены пространственно-подобным интервалом, я всегда могу выбрать такую систему отсчета, в которой мое действие здесь мгновенно влияет на происходящее с системой на расстоянии. Я десятилетия использовал это представление, и оно работает. Под «оно работает» я имею в виду то, что такой взгляд позволяет мне правильно интуитивно оценивать ситуацию, что можно затем подтвердить полноценными вычислениями. Поэтому если вы хотите использовать слово «бесконечно», то да, почему бы и нет. Но при условии, что вы помните о невозможности использования запутанности в практической телеграфии.

— Возможно, это всего лишь технологическое ограничение и в будущем мы сможем провести эксперимент между Землей и Луной или Землей и другими планетами и обнаружим некую задержку сигнала?

— Временная задержка уже учитывается в описании эксперимента. В моей диссертации, написанной в 1982 году, есть приложение, в котором я привожу полные вычисления, в том числе те, что касаются временной задержки. В результате получается, что все происходит так, как будто проводимое измерение оказывает мгновенное воздействие на расстоянии.

— Существует множество интерпретаций квантовой механики. Какой из них вы придерживаетесь?

— Я исхожу из того, что нелокальность истинна. Я очень впечатлен ясностью работ Эйнштейна и его убедительных аргументов в защиту локального реализма, но я знаю, что должен отказаться от данного взгляда. Мне представляется, что локальный реализм был состоятельной точкой зрения, и отказ от одного из его элементов рушит всю систему. Но если вопрос встает ребром и необходимо от чего-то отказаться, то я отказываюсь от локальности. Я все еще полагаю, что имеет смысл говорить о физической реальности объекта, локализованного в пространстве-времени. Однако также я должен признать, что есть мгновенная связь между физической реальностью этого объекта и удаленными на расстояние процессами. Конечно, тут кроется проблема: имеет ли смысл говорить о локализованной физической реальности, если существует мгновенная связь с чем-то удаленным? Это похоже на порочный круг, но тут я не уверен.

— Еще хотелось задать вопрос об эксперименте с отложенным выбором. Его тоже очень сложно понять. Что вы думаете по поводу этого опыта?

— Опыт Уилера с отложенным выбором не имеет непосредственного отношения к неравенствам Белла, однако мы в лаборатории также проводили подобные опыты. В докладе на конференции (IV Международная конференция по квантовым технологиям, — прим. Indicator.Ru) я говорил, что существуют две степени «квантовости», связанные с первой и второй квантовыми революциями. Эксперимент с отложенным выбором — это экстремальное проявление корпускулярно-волнового дуализма, он относится к первой квантовой революции, которая не настолько ошеломительна, как вторая.

Если вы сторонник подхода Бома, то можете использовать развитую им теорию скрытых переменных для описания результатов этого опыта, причем никакой нелокальности там не будет. В то же время, если вы хотите описать с помощью теории скрытых переменных Бома нарушение неравенств Белла, то у вас будет присутствовать нелокальность. Таким образом, опыт Уилера относится к первой квантовой революции, он стал самым впечатляющим проявлением корпускулярно-волнового дуализма.

Тем не менее об этом можно думать в нашем обычном пространстве-времени. Можно представить это как содержащий одну частицу волновой пакет, попадающий на делитель луча, раздваивающийся с частицей либо на одной стороне, либо на другой. Затем две половины объединяются на втором делителе луча, и в зависимости от интерференции волновых пакетов частица оказывается на одном из двух путей. Если второго делителя луча нет, то будут проявляться волновые свойства. Таким образом, в зависимости от наличия второго делителя луча, будет проявляться тот или иной экспериментально наблюдаемый характер. В этом случае никаких проблем с теорией относительности не возникает, никакой нелокальности тут не появляется.

— То есть вы полагаете, что статус фотона — будь он частицей или волной — до начала наблюдения не определен?

— Да. Он и то, и другое. Но я еще раз хочу отметить, что нелокальности тут нет. Она возникнет в том случае, если у вас есть взаимодействие с некоторыми телами в каждом плече интерферометра. В таком случае создастся запутанность между этими объектами. Но пока фотон ни с чем не взаимодействует в плечах интерферометра, эксперимент с отложенным выбором все еще относится к первой квантовой революции.

— Ваши эксперименты по неравенствам Белла были статистическими. Вы проводили их множество раз для того, чтобы набрать статистику и увидеть корреляции. Но существует и альтернативный подход, получивший название эксперимента Гринберга — Хорна — Цайлингера (ГХЦ). Проводился ли он для прямой проверки квантовой механики, а также в чем разница между их схемой и вашей?

— В настоящем эксперименте всегда необходима статистика. Вы не можете просто сказать, что провели одно измерение, и вопрос решен. Более того, чтобы результаты эксперимента ГХЦ имели смысл, необходимо для начала показать, что некоторые корреляции являются полными. Такая предварительная стадия требует большого количества измерений, и именно статистическая точность наделяет разумным смыслом понятие «полная корреляция». Я считаю, что основное достижение ГХЦ заключается в ходе мысли. Это впечатляет, что можно теоретически показать несовместимость квантовой механики и эйнштейновского взгляда на реальность.

— В докладе на конференции вы говорили о варианте эксперимента Хонга — У — Мандела с атомами. В связи с этим возникает такой вопрос: каково направление развития данной области экспериментальной физики? Каковы будут эксперименты в будущем? Что мы хотим протестировать?

— Как я сказал в заключении выступления, я бы хотел провести эксперименты с запутанными импульсами массивных объектов. Все поставленные немногочисленные опыты с запутанными массивными частицами проводились с использованием внутренних степеней свободы, таких как спин, то есть фактически не учитывали наличие массы. Если же мы задаемся целью нащупать границу между теорией относительности и квантовой механикой, то необходимо привлечь массу. Именно поэтому я хочу работать с импульсами. Идеальным вариантом было предложение провести эксперимент с метастабильными атомами гелия. Это легкий элемент, его атомная масса всего четыре, но в будущем можно будет перейти и к более тяжелым объектам.

— Получается, что мы идем в направлении поиска перехода от квантовой механики к классической?

— В некотором смысле да.

— Где, по вашему мнению, находится эта граница или скорее переход?

— Никто не знает. И если кто-нибудь найдет подобную границу, то это станет величайшим открытием XXI века.

— Вы собираетесь проверить неравенства Белла для массивных частиц в ближайшем будущем?

— Да, мы работаем над этим. Эксперимент Хонга — У — Мандела с атомами был промежуточным шагом. Он сделан успешно, что вдохновляет нас, так как это означает, что наша методика достаточно хороша. Также полноценная проверка неравенств Белла для массивных частиц позволит изучить одновременное действие квантовой механики и гравитации.

— Концепция времени считается не до конца разработанной, не полностью понятой в физике. Что вы думаете о природе времени в квантовой механике? Возможно ли, что будущие эксперименты дадут новое определение этому явлению?

— Я не теоретик, а экспериментатор. Для меня время определяется через показания атомных часов в месте проведения измерения. Не думаю, что я подходящий специалист, чтобы судить об этом, но вспомните, что Эйнштейн размышлял о часах. В его времена это были идеальные часы, сейчас же у нас есть реальные, обладающие фантастическими характеристиками в плане точности приборы. Поэтому в моем случае происходит событие, часы фиксируют показания — это и есть время. То есть для меня это просто параметр. Я понимаю, что некоторые теоретики считают странной ситуацию, что этот параметр не может быть проквантован, однако я понятия не имею, что значит проквантовать время.

— Эти дискуссии стали опять активны в связи с тем, что люди пытаются создать ретрокаузальную теорию квантовой механики, в которой события в будущем могут взаимодействовать с прошлым.

— Это не что иное, как утверждать, что ваше взаимодействие осуществляется со скоростью большей, чем скорость света. Если что-то перемещается быстрее света, то легко можно размышлять об этом как о движении назад во времени в некоторых системах отсчета. Все дело в точке зрения — это та же самая нелокальность, вид сбоку.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.